Временная  когерентность

Основная трудность в наблюдении интерференции света состоит в получении когерентных волн.

Когерентность - согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, позволяющих получать при их сложении четкую интерференционную картину.

Существование интерференционной картины является прямым следствием  принципа суперпозиции гармонических колебаний и волн.

Для этого необходимо разделить свет, излученный каждым атомом источника, на две или более групп волн, которые будут когерентны, т.е.  имеют одинаковую частоту, постоянную разность фаз и одинаково поляризованы. В дальнейшем  результат интерференции  будет зависеть от величины  разности фаз, т.е. будет наблюдаться - усиление или ослабление света в точке наблюдения.

Поэтому нельзя наблюдать интерференцию от двух независимых источников света. Это связано с природой самого излучения света. Например, излучения света атомом, молекулой, ионом происходит при переходе их из одного возбужденного состоянии в другое.

Продолжительность процесса излучения кванта энергии атомом составляет t »10-8 с.

За это время атом испускает волновой цуг (импульс волны - ограниченный во времени синусоидальный сигнал, перемещающийся во времени как единое целое), рис. 2.1, а, б.

Протяженность цуга волны  составляет от одного до десяти метров, где   или ,  где волновое число   k = ,      Dw=с ×Dk,     т.е. >>1.

Следовательно, цуг испущенной волны атомом за время t, тем ближе по своим свойствам к монохроматической волне с циклической частотой w0 (в вакууме) и волновым числом k0, чем больше время его излучения.

Для видимого света w0 »1015 с-1 .

Свет испущенный любым макроскопическим источником является немонохроматичным, так как  состоит из большого множества быстро сменяющих друг друга цугов, начальные фазы которых изменяются хаотически, а значения циклических частот w0 различны по сравнению с частотой колебания этих цугов.

Для характеристики когерентных свойств световых волн вводятся временная когерентность.

Промежуток времени, в течение которого случайное изменение фазы волны достигает порядка p, называют временем когерентности tког.

По истечении времени tког колебание, или волна, как бы забывает свою фазу и становится некогерентной.

Если средняя продолжительность испущенного цуга равна времени когерентности tког и отлична от среднего времени жизни атома в возбужденном состоянии (tког < 10-8 c для спонтанного излучения), то tког  тем меньше, чем шире спектр рассматриваемых частот немонохроматического света.

Для видимого света время когерентности tког » 10-14 с, длина когерентности  »10-7 м.

В действительности интерференцию трудно наблюдать из-за эффекта Доплера, из-за уширения энергетических уровней и других причин.

При более высокой степени монохроматичности излучения лазеров его время когерентности tког » 10-5 с, а длина когерентности  »103 м.

Длине когерентности соответствует максимальный порядок интерференции

                                              .

Для тепловых источников излучения dn » 108 Гц, а в случае лазеров (газовых) - dn » 102 Гц.

Соответствующее им время когерентности равно tког»10-8 с и tког» 10-2 с, а длины когерентности -»1 м и »106 м.

Вывод: Наблюдать интерференцию света  в реальных условиях можно только при оптической разности хода, меньшей длины когерентности.

В настоящее время когерентные явления приобретают глобальный характер и

используются при изучении свойств  излучения и веществ: кристаллов, жидкости, газа, плазмы, молекул, атомов, ядер, элементарных частиц и т.д.

Изучение когерентных свойств вещества началось с явления сверхпроводимости. При определенных условиях (низкие температуры) вся совокупность электронов, образующих единое  состояние, характеризуется электронной упорядоченностью и фазовой когерентностью. Все электронные пары имеют в данном сверхпроводнике одинаковую фазу.

Когерентными свойствами вещества определяется явление сверхтекучести. При давлениях более 30 атм происходит когерентная кристаллизация жидкого гелия.

Фазовые соотношения и когерентность играют важную роль в эффектах Джозефсона и др.